Es gibt wohl nur wenige Ereignisse, die so verheerend sind und für die meisten Menschen völlig überraschend auftreten wie Erdbeben. Was wir normalerweise als festen Boden kennen, erweist sich in der nächsten Sekunde als höchst instabil. Von einer Sekunde auf die andere können ganze Landstriche oder Städte verwüstet werden.

Gleichzeitig ist der Schutz relativ gering. Natürlich kann man Gebäude und Infrastruktur entsprechend gegen Erdbebenwellen härten, sodass sie nicht sofort zusammenbrechen. Man kann sich darauf vorbereiten. Aber letztlich gibt es keine absolute Sicherheit. Die Geschichte hat uns oft genug gezeigt, dass auch vermeintlich sichere Gebäude und Bauwerke den Kräften nicht immer standhielten. Selbst wenn sie nicht einstürzen, können während oder unmittelbar nach einem schweren Erdbeben vielfältige Gefahren von ihnen ausgehen. Das reicht von herabstürzenden Fassadenteilen über Strom- und Gasleitungen bis hin zu großen Kraftwerken.

Was versteht man eigentlich unter Erdbebenvorhersage? Im Allgemeinen versteht man darunter den Versuch, ein Erdbeben einer bestimmten Stärke an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit vorherzusagen. Kleiner Spoiler: Das ist mit der uns zur Verfügung stehenden Technik und unserem heutigen Wissen über Erdbeben noch nicht möglich. Was aber sehr wohl möglich ist und auch schon in der Praxis eingesetzt wird, ist eine Erdbebenvorwarnung. Aber dazu später mehr.

Erdbebenvorhersage

Man kann sich vorstellen, was für eine Erleichterung es wäre, Erdbeben rechtzeitig vorhersagen zu können. Bisher schien diese Vision, sozusagen der Heilige Gral der Geophysik, unerreichbar. Es gab zwar einige Versuche, Erdbeben vorherzusagen, aber meist nur mit geringem und eher zweifelhaftem Erfolg.

Hinzu kommt, dass eine Vorhersage auch zu Problemen führen kann. So kann es z.B. zu einer Massenpanik und zu volkswirtschaftlichen Schäden kommen. Wenn das vorhergesagte Erdbeben dann nicht eintrifft, kann dies zu einem großen vertrauensverlust führen.

Das Erdbeben von Haicheng 1975

In der Geschichte gab es einige mehr oder weniger erfolgreiche Versuche, Erdbeben vorherzusagen. Eine der wohl bekanntesten erfolgreichen Vorhersagen ist die des Erdbebens von Haicheng in China. Dort ereignete sich am 4. Februar 1975 ein Erdbeben der Stärke 7,0. Die chinesischen Behörden hatten die Millionenstadt Haicheng am Tag vor dem Beben evakuiert, weil eine Häufung kleinerer Erdbeben und über Monate hinweg eine deutliche Veränderung der Geländehöhe und des Grundwasserspiegels beobachtet worden war. Auch Tiere sollen sich auffällig verhalten haben[1][2] .

Durch diese Maßnahmen konnte die Zahl der Todesopfer auf unter 2.000 begrenzt werden. Ohne diese Maßnahmen hätte die Zahl der Todesopfer in der Stadt Haicheng nach einigen Schätzungen gut 150.000 betragen. Dies wird allgemein als gutes Beispiel für eine erfolgreiche Erdbebenvorhersage angesehen und weckte einige Hoffnungen, dass dies auch an anderen Orten wiederholt werden könnte [1]. Diese Hoffnung wurde bald bitter enttäuscht.

Das Tangshan-Beben 1976

Bereits am 28. Juli 1976 wurde deutlich, dass die vor dem Haicheng-Beben beobachteten Muster nicht bei jedem Erdbeben auftreten. Sie stellen daher kein sicheres Zeichen dar. An diesem Tag ereignete sich das Tangshan-Beben. Mit einer Magnitude von 7,8 war es nicht nur stärker als das Beben von Haicheng, es ereignete sich auch ohne Vorwarnung, obwohl laut Wikipedia im Nachhinein über anomales Verhalten von Tieren berichtet wurde[1].

Tierisches Verhalten

Wie bereits erwähnt, wird immer wieder über ungewöhnliches Verhalten von Tieren vor Erdbeben berichtet. Vor allem in populären Schriften, wird dann gerne die Hoffnung geäußert, dass sich daraus eventuell eine Möglichkeit ergeben könnte, Erdbeben einigermaßen genau vorhersagen zu können. Vielfach wird in diesem Zusammenhang behauptet, dass Tiere bereits auf sehr kleine Veränderungen der Erdoberfläche reagieren würden. Dabei kann es sich um Veränderungen elektrischer Felder, Gase oder kleine Vorbeben handeln. Das Problem ist nur, dass diese Veränderungen auch den empfindlichsten den Sensoren der Seismologen bisher recht erfolgreich zu entgehen scheinen.

Da die Berichte über anomales Verhalten oft sehr anekdotisch sind, ist es von außen betrachtet nicht immer einfach, die Spreu vom Weizen zu trennen. In einem Übersichtsartikel aus dem Jahr 2018 wurden 180 Berichte über anomales Verhalten von Tieren vor starken Erdbeben untersucht [3]. Diese umfassen etwa 700 Einzelberichte von 130 Arten über 160 Erdbeben. Die Zeiträume reichen von einigen Monaten bis zu wenigen Sekunden vor dem eigentlichen Beben. Die Entfernungen der Beobachtungen von wenigen bis zu mehreren hundert Kilometern vom Epizentrum.

Die überwiegende Zahl der Meldungen waren Einzelbeobachtungen, nur 14 Meldungen betrafen längere Zeiträume. Von denen wiederum waren die meisten sehr kurz, die längste etwas mehr als ein Jahr. Es zeigte sich, dass die Anzahl der Vorbeben und anomales Tierverhalten stark korreliert. Ein Zusammenhang ist also wahrscheinlich.

Allen, die sich hier auf die Sinne der Tiere verlassen wollen, sei gesagt, dass dies deutlich schwieriger ist, als einfach Instrumente aufzustellen und Veränderungen geophysikalischer Parameter zu messen.

Frühwarnsysteme

Auch wenn es sich dabei nicht um eine exakte Erdbebenvorhersage handelt, kann sie den Betroffenen manchmal die entscheidenden Minuten verschaffen, um sich auf ein Erdbeben vorzubereiten. Erdbeben-Frühwarnsysteme. Viele erdbebengefährdete Gebiete sind bereits mit solchen Systemen ausgestattet, vor allem in Japan, aber z.B. auch in Mexiko-Stadt.

Diese Systeme nutzen in der Regel die Tatsache aus, dass Erdbeben verschiedene Arten von Wellen erzeugen. Diese Wellen bewegen sich im Erdkörper mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. So können z.B. Primärwellen (P-Wellen) vor den zerstörerischen Sekundär- und Oberflächenwellen eintreffen. Der Unterschied kann, je nach Nähe des Epizentrums, oft nur wenige Sekunden betragen.

Ein schönes Beispiel ist das schwere Erdbeben in Mexiko-Stadt am 19. September 2017. Das dort installierte Frühwarnsystem verschaffte den Bewohnern der Stadt einen Vorsprung von gerade einmal 20 Sekunden. Das reichte in sehr vielen Fällen durchaus.

Auch in Japan gibt es vergleichbare Systeme. Hier aufgrund der Nähe zu möglichen Epizentren beträgt der Zeitvorsprung teilweise nur wenige Sekunden. Aber auch hier reicht die Zeit aus, um Hochgeschwindigkeitszüge anzuhalten, Kraftwerke abzuschalten, risikoreiche Arbeiten und auch Operationen soweit möglich einzustellen und die Bevölkerung zu warnen.

Frühwarnung über längere Zeiträume?

Wenn uns schon wenige Sekunden im Falle eines Erdbebens einen unschätzbaren Sicherheitsgewinn bringen, wie wäre es dann, wenn wir einige Minuten oder gar Stunden im Voraus wüssten, dass an einem bestimmten Ort ein Erdbeben stattfinden wird? Die Idee, dass es Anzeichen gibt, die einem Erdbeben vorausgehen und die für eine Warnung genutzt werden könnten, ist nicht neu [4].

Die ersten, noch etwas naiven Vorstellungen mussten jedoch schnell revidiert werden, als man erkannte, dass Erdbeben nichtlineare Prozesse sind [5] [6]. In jüngerer Zeit wurden verschiedentlich wieder Hoffnungen geweckt, dass es Vorboten großer Erdbeben geben könnte. So wurden mehrfach aseismische Bewegungen entlang von Störungen mit begleitender Mikroseismizität beobachtet [7] [8] [9] [10]. Daraus erhofft man sich die Möglichkeit, kommende Erdbeben Minuten bis Tage im Voraus vorhersagen zu können [7] [8].

Problematisch bei vielen dieser Studien (die genannten sind nur Beispiele) ist, dass sie in der Regel nur sehr wenige oder sogar nur ein sehr starkes Erdbeben als Grundlage haben (mit Ausnahme von [10]). Außerdem werden immer wieder aseismische Rutschungsereignisse mit erhöhter Mikroseismizität beobachtet, die nicht zu einem größeren Erdbeben führen [11] [12].

Seismische Bewegungen und GPS Daten

In einer aktuellen Studie vom Juli 2023 wurden rund 3026 GPS-Datensätze über einen Zeitraum von 48 Stunden untersucht, die 90 starken Erdbeben mit einer Magnitude von mindestens 7.0 vorausgingen [13]. Die betreffenden GPS-Sensoren befanden sich entlang bekannter Störungslinien. Dabei zeigte sich ein interessantes Muster: Im Zeitraum von wenigen Tagen bis knapp 2 Stunden vor dem jeweiligen Beben passierte nichts, dann ging es buchstäblich “los”. Knapp 110 Minuten vor dem Beben geschah etwas Bemerkenswertes. Die Störungslinien gerieten in Bewegung und verschoben sich in Richtung der späteren Verschiebung.

Um sicherzugehen, dass es sich dabei um ein echtes Signal und nicht um ein Artefakt handelte, wurden parallel gut 100.000 weitere GPS-Datensätze über jeweils 48 Stunden ausgewertet, die in keinem zeitlichen Zusammenhang mit einem größeren Erdbeben standen. Nur in gut 30 dieser Datensätze konnte ein vergleichbares Muster gefunden werden.

Möglicherweise spielt hier ein aseismisches Plattengleiten eine Rolle, bei dem sich die beteiligten Platten bereits vor dem eigentlichen Erdbeben entkoppeln und aneinander vorbeigleiten, ohne ein Beben auszulösen.

Was bedeutet die Entdeckung?

Sollte sich diese Entdeckung bestätigen, wäre dies sicherlich ein sehr wichtiger Punkt, um die Menschen vor einem Erdbeben zu warnen. Vielleicht kann man es an einem kleinen Beispiel versuchen.

Nehmen wir die berühmte St. Andreas Störung in Kalifornien. Der südliche Teil dieser Störung hat das Potenzial, etwa alle 140 Jahre ein größeres Erdbeben auszulösen. Da die Region zudem sehr dicht besiedelt ist, würde ein Beben hier sehr große Schäden anrichten und sehr viele Menschen direkt gefährden.

Unter der hypothetischen Annahme, dass ein Erdbeben mit einer Stärke von mehr als Magnitude 7 bevorsteht, also stark genug ist, um das oben erwähnte Signal zu erzeugen, und dass diese Störungszone mit einer ausreichenden Anzahl von sehr genauen GPS-Sensoren ausgestattet ist, würde sich folgendes Bild ergeben: In dem Zeitraum von knapp 140 Jahren zwischen zwei starken Erdbeben bekäme man also gut 1 entsprechendes Signal vor einem starken Erdbeben und vielleicht 7 oder 8 Fehlalarme. Ich denke, das ist ziemlich gut.

Gut 110 Minuten vor einem Erdbeben könnten also Verkehrsmittel gestoppt, Gasleitungen geschlossen und Menschen aufgefordert werden, sich in sichere Gebiete zu begeben.

Etwas Wasser in den Wein…

Das klingt ein bisschen zu schön, um wahr zu sein. Und ja, es gibt auch ein paar Probleme. Zum einen die Kosten. Hochpräzise GPS-Sensoren sind nicht billig. Und wir brauchen eine ganze Menge davon, nur für eine einzige größere Störung. Ganz zu schweigen von allen größeren Störungen in der Nähe größerer menschlicher Siedlungen.

Abgesehen davon, dass unsere derzeitigen GPS-Sensoren ziemlich genau sind, sind sie noch nicht genau genug, um diese kleinen Bewegungen im Vorfeld größerer Erdbeben präzise zu messen.

Um diese Entdeckung, falls sie sich bestätigen sollte, nutzen zu können, brauchen wir also eine deutliche Verbesserung der GPS-Technologie.

Außerdem ist diese Entdeckung noch nicht bestätigt. Es wäre sehr interessant zu sehen, ob das Ganze an anderen Orten und bei anderen Erdbeben bestätigt werden kann. Man darf nicht vergessen, dass die Zahl der Erdbeben in dieser Studie mit gut 90 zwar hoch erscheint, aber doch relativ klein ist. Allein pro Jahr ereignen sich gut 16 Erdbeben der Magnitude 7.

Zudem sind möglicherweise auch alternative Erklärungen für die beobachteten Phänomene denkbar.

Und um die eingangs gestellte Frage zu beantworten: Nein, wir können Erdbeben nach wie vor nicht vorhersagen. Auch das hier vorgestellte Modell wäre, wenn es sich bestätigt, eher ein verbessertes Frühwarnsystem.

References

• [1] Jackson, D. D. (2004). Earthquake Prediction and Forecasting. In: (Ed.), The State of the Planet: Frontiers and Challenges in Geophysics, American Geophysical Union (AGU).
• [2] Wang, K.; Chen, Q.-F.; Sun, S. and Wang, A. (2006). Predicting the 1975 Haicheng Earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America 96 : 757-795.
• [3] Woith, H.; Petersen, G. M.; Hainzl, S. and Dahm, T. (2018). Review: Can Animals Predict Earthquakes?, Bulletin of the Seismological Society of America 108 : 1031-1045.
• [4] Scholz, C. H.; Sykes, L. R. and Aggarwal, Y. P. (1973). Earthquake Prediction: A Physical Basis, Science 181 : 803-810.
• [5] Kagan, Y. Y. (1997). Are earthquakes predictable?, Geophysical Journal International 131 : 505-525.
• [6] Geller, R. J. (1997). Earthquake prediction: a critical review, Geophysical Journal International 131 : 425-450.
• [7] Bouchon, M.; Karabulut, H.; Aktar, M.; Özalaybey, S.; Schmittbuhl, J. and Bouin, M.-P. (2011). Extended Nucleation of the 1999 Mw 7.6 Izmit Earthquake, Science 331 : 877-880.
• [8] Kato, A.; Obara, K.; Igarashi, T.; Tsuruoka, H.; Nakagawa, S. and Hirata, N. (2012). Propagation of Slow Slip Leading Up to the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki Earthquake, Science 335 : 705-708.
• [9] Ruiz, S.; Metois, M.; Fuenzalida, A.; Ruiz, J.; Leyton, F.; Grandin, R.; Vigny, C.; Madariaga, R. and Campos, J. (2014). Intense foreshocks and a slow slip event preceded the 2014 Iquique Mw 8.1 earthquake, Science 345 : 1165-1169.
• [10] Bouchon, M.; Durand, V.; Marsan, D.; Karabulut, H. and Schmittbuhl, J. (2013). The long precursory phase of most large interplate earthquakes, Nature Geoscience 6 : 299-302.
• [11] Schwartz, S. Y. and Rokosky, J. M. (2007). Slow slip events and seismic tremor at circum-Pacific subduction zones, Reviews of Geophysics 45.
• [12] Gomberg, J. and the Cascadia 2007 and Beyond Working Group (2010). Slow-slip phenomena in Cascadia from 2007 and beyond: A review, GSA Bulletin 122 : 963-978.
• [13] Bletery, Q. and Nocquet, J.-M. (2023). The precursory phase of large earthquakes, Science 381 : 297-301.